Α-оксид алюминия для получения монокристалла сапфира и способ его получения

Изобретения могут быть использованы в химической и электронной промышленности. Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира включает этап, на котором смешивают 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) и 25-235 массовых частей α-оксида алюминия (II). α-Оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и объемную плотность 1,5 г/см³ или более. α-Оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц и имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и относительную плотность 85% или более, и каждая из спеченных частиц имеет объем 0,01 см³ или более. Изобретения позволяют снизить количество адсорбированной воды, снизить окисление тигля и повысить эффективность получения монокристаллического сапфира. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается α-оксида алюминия (альфа-оксида алюминия) для получения монокристалла сапфира и способа его получения.

Описание предшествующего уровня техники

α-Оксид алюминия применим в качестве исходного материала для получения монокристалла сапфира. Монокристалл сапфира можно получить, например, с помощью способа загрузки α-оксида алюминия в тигель из металлического молибдена, нагрева для плавления α-оксида алюминия и вытягивания из расплавленного оксида алюминия (смотри, например, JP Н05-97569А). Чтобы эффективно получать монокристалл сапфира путем загрузки α-оксида алюминия с высокой объемной эффективностью, требуется α-оксид алюминия, допускающий заполнение тигля с высокой объемной эффективностью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечить α-оксид алюминия для получения монокристалла сапфира, допускающий получение монокристалла сапфира с высокой эффективностью производства; и способ его получения.

Изобретатели настоящего изобретения интенсивно исследовали, как достичь указанной цели, и обнаружили решение, содержащее следующие составляющие, и, таким образом, выполнили настоящее изобретение.

(1) α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира, включающий 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) и 25-235 массовых частей α-оксида алюминия (II), при этом α-оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и объемную плотность 1,5 г/см³ или более; и α-оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц, а также имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и относительную плотность 85% или более, и каждая из спеченных частиц имеет объем 0,01 см³ или более.

(2) α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира согласно (1), при этом α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 850 мкм в распределении размеров частиц по массе по диаметру сухих просеянных частиц, определенному в тесте сухого рассеивания согласно JIS К 0069 (1992).

(3) α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира согласно (1) или (2), при этом α-оксид алюминия (I) содержит 10 мас.% или менее частиц, имеющих диаметр частиц 850 мкм или более и менее чем 1 мм, в распределении размеров частиц,

и α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (А) в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 850 мкм, и α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (В) в диапазоне диаметров частиц 1 мм или более, и

если D1 обозначает максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающий наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (А), М1 обозначает максимальное значение частотного максимума, показывающее наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (А), D2 обозначает максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающий наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), а М2 обозначает максимальное значение частотного максимума, показывающее наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), то D1 и D2 удовлетворяют неравенству: 2×D1≤D2≤20×D1, а отношение М1 к М2 (М1/М2) равно 0,05 или более.

(4) α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира согласно любому пункту (1)-(3), при этом α-оксид алюминия имеет чистоту 99,99 мас.% или более и содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg составляет 10 ч./млн или менее (по массе).

(5) Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, который включает в себя этап смешения 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) с 25-235 массовыми частями α-оксида алюминия (II), причем α-оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и объемную плотность 1,5 г/см³ или более, и α-оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц, α-оксид алюминия (II) имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и относительную плотность 85% или более, и каждая из спеченных частиц имеет объем 0,01 см³ или более.

Выражение "диаметр сухих отсеянных частиц" в настоящем изобретении означает максимальную величину размера сита из стандартных сит, сквозь которое α-оксид алюминия (I) не может проходить, когда α-оксид алюминия просеивают, используя стандартные сита, определенные в JIS Z 8801 (1987).

Так как настоящее изобретение делает возможным заполнение тигля с большой объемной эффективностью, создается эффект, допускающий получение монокристалла сапфира с высокой эффективностью получения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира]

α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира настоящего изобретения (далее называемый "α-оксид алюминия для получения монокристалла") содержит 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) и от 25 до 235 массовых частей, предпочтительно от 50 до 150 массовых частей и более предпочтительно 100 массовых частей α-оксида алюминия (II). Когда α-оксид алюминия (I) и α-оксид алюминия (II) содержатся в этом соотношении, объемная плотность α-оксида алюминия для получения монокристалла может быть увеличена.

Изобретатели настоящей заявки обнаружили, что объемная плотность α-оксида алюминия для получения монокристалла сильно увеличивается при смешении двух α-оксидов алюминия, каждый из которых имеет разные характеристики (α-оксид алюминия (I) и α-оксид алюминия (II)), в вышеуказанном соотношении. А именно, α-оксид алюминия (II) может сочетать относительно большой объем и высокую относительную плотность, и он имеет такую характеристику, что каждая из спеченных частиц имеет высокую объемную плотность, так как он образован из спеченных частиц, имеющих однородную форму. Как подробно описано ниже, такие характеристики могут быть получены путем задания диапазона удельной площади поверхности, диапазона относительной плотности и диапазона объема.

С другой стороны, α-оксид алюминия (I) может сочетать относительно высокую объемную плотность и высокую текучесть, а также может существенно снижать закрытую пористость. Как подробно описано ниже, такие характеристики могут быть получены путем задания диапазона удельной площади поверхности и диапазона объемной плотности.

Таким образом, для α-оксида алюминия для получения монокристалла настоящего изобретения, в котором α-оксид алюминия (I), имеющий достаточную объемную плотность и текучесть, присутствует между спеченными частицами α-оксида алюминия (II), имеющего такую форму в вышеуказанном массовом соотношении, становится возможным получение очень высокой объемной плотности.

α-Оксид алюминия (I) и α-оксид алюминия (II) будут описаны подробно ниже.

<α-Оксид алюминия (I)>

α-Оксид алюминия (I) обычно существует в форме порошка. α-оксид алюминия (I) предпочтительно имеет чистоту 99,99 мас.% или более. Содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg в α-оксиде алюминия (I) предпочтительно составляет 10 ч./млн или менее по массе.

α-Оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г, предпочтительно от 0,2 до 1 м²/г. α-оксид алюминия (I) имеет объемную плотность 1,5 г/см³ или более, предпочтительно 2,0 г/см³ или более и более предпочтительно от 2,0 до 2,6 г/см³. Когда α-оксид алюминия (I) имеет слишком большую удельную площадь поверхности и слишком маленькую объемную плотность, текучесть α-оксида алюминия (I) может ухудшаться, а также могут ухудшаться свойства по его обработке. Также, когда α-оксид алюминия (I) имеет слишком маленькую удельную площадь поверхности, закрытая пористость может увеличиваться, и влага, внедренная в закрытые поры, может вызывать окисления тигля.

Чтобы заполнить α-оксидом алюминия для получения монокристалла тигель с высокой объемной плотностью, α-оксид алюминия (I) предпочтительно имеет относительную плотность от 55 до 90%, закрытую пористость от 0 до 10% и количество адсорбированной влаги от 0 до 1 мас.%. Когда относительная плотность находится внутри вышеуказанного диапазона, легко получить α-оксид алюминия (I), имеющий удельную площадь поверхности и объемную плотность, заданные в настоящем изобретении. Когда закрытая пористость увеличивается сверх вышеуказанного диапазона, влага, внедренная в закрытые поры, может вызывать окисление тигля. Также, когда количество адсорбированной влаги увеличивается сверх вышеуказанного диапазона, адсорбированная влага может вызывать окисление тигля.

Содержание частиц, имеющих диаметр частиц (диаметр) более чем 2,8 мм, в α-оксиде алюминия (I) предпочтительно составляет 15 мас.% или менее и более предпочтительно 10 мас.% или менее. В особенности, предпочтительно, когда α-оксид алюминия (I), по существу, не содержит частиц, имеющих диаметр частиц (диаметр) более чем 2,8 мм (например, их содержание составляет приблизительно 0,1 мас.% или менее). Когда содержание частиц, имеющих диаметр частиц (диаметр) более чем 2,8 мм, превышает вышеуказанный диапазон, становится трудно получать α-оксид алюминия (I), имеющий объемную плотность, заданную в настоящем изобретении.

α-Оксид алюминия (I) предпочтительно демонстрирует один или несколько частотных максимумов в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 850 мкм в распределении размеров частиц и более предпочтительно демонстрирует один или несколько частотных максимумов в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более и менее чем 500 мкм. α-оксид алюминия (I) может содержать частицы, имеющие единый диаметр частиц. Когда один или несколько частотных максимумов присутствуют в вышеуказанном диапазоне, легко получить α-оксид алюминия (I), имеющий объемную плотность, заданную в настоящем изобретении.

Предпочтительно, когда содержание частиц α-оксида алюминия (I), имеющих диаметр частиц 850 мкм или более и менее чем 1 мм, в распределении размеров частиц составляет 10 мас.% или менее, и когда α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (А) в диапазоне диаметров частиц 100 мкм или более и менее чем 850 мкм, предпочтительно 100 мкм или более и менее чем 500 мкм, где D1 обозначает максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающий наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (А), М1 обозначает максимальное значение частотного максимума, показывающее наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (А), и когда α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (В) в диапазоне диаметров частиц 1 мм или более, предпочтительно 1 мм или более и менее чем 2 мм, где D2 обозначает максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающий наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), М2 обозначает максимальное значение частотного максимума, показывающее наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), D1 и D2 удовлетворяют неравенству: 2 D1≤D2≤20 D1, а отношение Ml к М2 (М1/М2) равно 0,05 или более. Тем самым, тигель может быть заполнен α-оксидом алюминия для получения монокристалла с высокой объемной плотностью.

Особенно предпочтительно, когда D1 и D2 удовлетворяют неравенству: 5 D1≤D2≤15 D1. Отношение M1 к М2 (М1/М2) предпочтительно равно 0,1 или более, более предпочтительно 1 или более и еще более предпочтительно от 1 до 5.

В настоящем описании диаметр частиц является диаметром сухих просеянных частиц, измеряемым как максимальное значение размера сита, через которое α-оксид алюминия (I) не может проходить, когда α-оксид алюминия просеивают, используя стандартные сита, имеющие размер сит 75 мкм, 100 мкм, 212 мкм, 300 мкм, 425 мкм, 500 мкм, 600 мкм, 710 мкм, 850 мкм, 1 мм, 2 мм или 2,8 мм, как определено в JIS Z 8801 (1987). Распределение размеров частиц представляет собой распределение размеров частиц по массе с помощью диаметра сухих просеянных частиц, измеряемое согласно тесту сухого рассеивания, определенному в JIS К 0069 (1992), используя стандартные сита.

α-Оксид алюминия (I) может быть получен, например, с помощью способа, включающего в себя следующие этапы от (I-1) до (I-3):

этап (I-1) смешения предшественника α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия с получением смеси,

этап (I-2) прокаливания данной смеси с получением грубого порошка, и

этап (I-3) классификации грубого порошка.

(Предшественник α-оксида алюминия)

Предшественник α-оксида алюминия представляет собой соединение, способное к превращению в α-оксид алюминия путем прокаливания, и его примеры включают алкоксиды алюминия, такие как гидроксид алюминия, изопропоксид алюминия, этоксид алюминия, втор-бутоксид алюминия и трет-бутоксид алюминия; и промежуточные оксиды алюминия, такие γ-оксид алюминия, δ-оксид алюминия и θ-оксид алюминия. Эти предшественники α-оксида алюминия могут использоваться по отдельности, или один, или два или более их типов могут использоваться в комбинации. Среди этих предшественников α-оксида алюминия гидроксид алюминия является предпочтительным, и гидроксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.% или более, является более предпочтительным.

Гидроксид алюминия получают, например, путем гидролиза гидролизуемого соединения алюминия. Примеры гидролизуемых соединений алюминия включают алкоксид алюминия и хлорид алюминия и подобные, и алкоксид алюминия является предпочтительным с точки зрения чистоты. Гидроксид алюминия имеет аморфную кристаллическую структуру, или структуру гиббсита или бемита, и предпочтительно бемита.

(Зародыши α-оксида алюминия)

Зародыши α-оксида алюминия получают, например, путем измельчения частиц α-оксида алюминия высокой чистоты, имеющих чистоту 99,99 мас.% или более. Зародыши α-оксида алюминия предпочтительно имеют средний диаметр частиц от 0,1 до 1 мкм и более предпочтительно от 0,1 до 0,4 мкм. В промышленности трудно получить зародыши α-оксида алюминия, имеющие очень маленький средний диаметр частиц. Не является предпочтительным, когда зародыши α-оксида алюминия имеют слишком большой средний диаметр частиц, так как удельная площадь поверхности и объемная плотность α-оксида алюминия (I) могут отклоняться от заданной величины.

Примеры способа измельчения частиц α-оксида алюминия высокой чистоты включают в себя способ измельчения в сухом состоянии (способ сухого измельчения), способ добавления растворителя и измельчения в состоянии суспензии (способ мокрого измельчения) и подобные, и способ мокрого измельчения является предпочтительным.

В способе мокрого измельчения, например, используют мельницы, такие как шаровая мельница, мельница с перемешивающей средой. Растворителем обычно является вода. В способе мокрого измельчения, чтобы улучшить дисперсность, может добавляться диспергирующий агент. Диспергирующим агентом предпочтительно является материал, способный к испарению в результате разложения при прокаливании, например, полимерный диспергирующий агент, такой как аммониевая соль полиакриловой кислоты, чтобы уменьшить примеси в α-оксиде алюминия (I).

Чтобы уменьшить загрязнение зародышей α-оксида алюминия, предпочтительно, когда поверхность элементов мельницы, контактирующая с оксидом алюминия, сделана из α-оксида алюминия высокой чистоты или облицована смолой. Когда используется мельница с перемешивающей средой, данная среда также предпочтительно представляет собой α-оксид алюминия высокой чистоты.

Количество зародышей α-оксида алюминия обычно составляет от 0,1 до 10 массовых частей и предпочтительно от 0,3 до 7 массовых частей, когда масса частиц α-оксида алюминия после прокаливания составляет 100 массовых частей. Не является предпочтительным, когда количество зародышей α-оксида алюминия слишком мало, так как удельная площадь поверхности и объемная плотность α-оксида алюминия (I) могут отклоняться от заданной величины. Также не является предпочтительным, когда количество зародышей α-оксида алюминия слишком велико, так как физические свойства полученного α-оксида алюминия (I) остаются неизменными и нет нужды увеличивать применяемое количество.

Зародыши α-оксида алюминия обычно смешивают с гидроксидом алюминия в состоянии суспензии после мокрого измельчения. Количество суспензии обычно составляет от 100 до 220 массовых частей и предпочтительно от 120 до 200 массовых частей в обозначениях количества влаги в суспензии в расчете на 100 массовых частей гидроксида алюминия. Не является предпочтительным, когда количество влаги слишком велико, так как данная смесь превращается в суспензию и сушка требует большого количества энергии. Когда количество влаги слишком мало, смесь имеет плохую текучесть и смешение зародышей α-оксида алюминия с гидроксидом алюминия может быть недостаточным.

(Смешивание)

Смешивание можно выполнять, например, используя шаровую мельницу, мешалку или подобное, или выполнять с помощью ультразвукового облучения или подобного. Эти способы позволяют смешивать предшественник α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия с удовлетворительной дисперсностью. Чтобы смешивать предшественник α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия более равномерно, предпочтительной является лопастная мешалка, способная к перемешиванию путем приложения поперечной силы.

Смесь предшественника α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия обычно сушат, чтобы удалить влагу. Температура сушки обычно составляет от 80 до 180°С. Чтобы улучшить объемную плотность сухого продукта для лучшей работы, сушку предпочтительно выполняют, используя устройство для сушки с псевдоожиженным слоем.

(Прокаливание)

Прокаливание можно выполнять, например, используя обычные печи прокаливания, такие как трубчатая электрическая печь, туннельная печь, печь с инфракрасным нагревом, печь с микроволновым нагревом, шахтная печь, отражательная печь, вращающаяся печь, печь с роликовым подом. Прокаливание можно выполнять партиями или непрерывным образом. Печь прокаливания может быть стационарной или с псевдоожиженным слоем.

Температура прокаливания обычно составляет от 1200 до 1450°С и предпочтительно от 1250 до 1400°С, чтобы можно было легко получить α-оксид алюминия (I), имеющий нужную чистоту, удельную площадь поверхности, относительную плотность, закрытую пористость и объемную плотность. Когда температура прокаливания слишком велика, прокаливание может происходить избыточно, приводя к уменьшенной удельной площади поверхности и увеличенной закрытой пористости, при этом возможно загрязнение примесями из печи прокаливания. Когда температура прокаливания слишком низкая, гидроксид алюминия может недостаточно превращаться в α-оксид алюминия или удельная площадь поверхности может увеличиваться.

Скорость повышения температуры до температуры прокаливания составляет, например, от 30 до 500°С/час. Время прокаливания представляет собой время, достаточное, чтобы в достаточной степени превратить гидроксид алюминия в α-оксид алюминия, и меняется в зависимости от отношения количества гидроксида алюминия к количеству зародышей α-оксида алюминия, типа печи прокаливания, температуры прокаливания, атмосферы прокаливания и подобного. Например, время прокаливания составляет от 30 минут до 24 часов и предпочтительно от 1 часа до 10 часов.

Атмосфера прокаливания предпочтительно является воздушной атмосферой или атмосферой инертного газа, такого как газообразный азот или газообразный аргон. Атмосфера прокаливания также может быть влажной атмосферой.

(Классификация)

Классификацию можно выполнять, например, с помощью рассеивания или подобного.

<α-Оксид алюминия (II)>

α-Оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц. α-оксид алюминия (II) настоящего изобретения может быть получен, например, путем образования смеси гидроксида алюминия и зародышей α-оксида алюминия, получая неспеченную заготовку, и спекания полученной неспеченной заготовки. α-оксид алюминия (II) имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и предпочтительно 0,1 м²/г или менее. α-оксид алюминия (II) имеет относительную плотность 85% или более. Объем каждой из спеченных частиц равняется 0,01 см³ или более, предпочтительно 0,10 см³ или более и более предпочтительно от 0,10 до 10 см³. Когда удельная площадь поверхности α-оксида алюминия (II) слишком велика или относительная плотность α-оксида алюминия (II) слишком мала, объемная плотность α-оксида алюминия для получения монокристалла может снижаться.

Чтобы заполнять с высокой плотностью тигель α-оксидом алюминия для получения монокристалла, объемная плотность агрегата спеченных частиц α-оксида алюминия (II) предпочтительно составляет от 1 до 3 г/см³, а закрытая пористость предпочтительно составляет от 0 до 10%. α-оксид алюминия (II) предпочтительно имеет чистоту 99,99 мас.% или более. Содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg в α-оксиде алюминия (II) предпочтительно составляет 10 ч./млн или менее.

α-Оксид алюминия (II) может быть получен, например, с помощью способа, включающего в себя следующие этапы от (II-1) до (II-3):

этап (II-1) смешения гидроксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия с получением смеси,

этап (II-2) формирования данной смеси с получением неспеченной формованной заготовки и

этап (II-3) спекания неспеченной сформированной заготовки.

(Гидроксид алюминия)

Гидроксид алюминия получают, например, путем гидролиза гидролизуемого соединения алюминия. Примеры гидролизуемого соединения алюминия включают алкоксид алюминия, хлорид алюминия и подобные, и алкоксид алюминия является предпочтительным с точки зрения чистоты. Гидроксид алюминия предпочтительно представляет собой гидроксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.% или более. Гидроксид алюминия имеет аморфную структуру или кристаллическую структуру, гиббсита или бемита, предпочтительно бемита.

(Зародыши α-оксида алюминия)

Примеры зародышей α-оксида алюминия включают такие же зародыши α-оксида алюминия, как примеры зародышей α-оксида алюминия для α-оксида алюминия (I).

(Смешение)

Зародыши α-оксида алюминия обычно смешивают с гидроксидом алюминия в состоянии суспензии после мокрого измельчения. Количество суспензии обычно составляет от 100 до 220 массовых частей, предпочтительно от 120 до 220 массовых частей в обозначениях количества влаги в суспензии в расчете на 100 массовых частей гидроксида алюминия. Не является предпочтительным, когда количество влаги слишком велико, так как данная смесь превращается в суспензию и сушка требует большого количества энергии. Когда количество влаги слишком мало, смесь имеет плохую текучесть и смешение зародышей α-оксида алюминия с гидроксидом алюминия может стать недостаточным. Смешение можно выполнять, например, используя шаровую мельницу, мешалку или подобное, или выполнять с помощью ультразвукового облучения или подобного. Эти методы позволяют смешение предшественника α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия с удовлетворительной дисперсностью. Чтобы смешивать предшественник α-оксида алюминия с зародышами α-оксида алюминия более равномерно, предпочтительна лопастная мешалка, прикладывающая поперечное усилие.

(Формование)

Вышеописанный смешанный сырой материал формуют. Смешанный сырой материал можно доводить до количества влаги, подходящего для формования. Например, количество влаги составляет от 100 до 220 массовых частей и предпочтительно от 140 до 200 массовых частей в расчете на 100 массовых частей гидроксида алюминия. Формование можно выполнять, например, путем прессования, сдавливания, экструзии, валкового гранулирования в Marmelizer, опрокидывателя или подобного. Неспеченная формованная заготовка обычно имеет колоннообразную форму, брикетообразную форму или сферическую форму. Неспеченную формованную заготовку можно сушить для удаления влаги или можно не сушить. Сушку можно выполнять, например, с помощью сушильного шкафа, высокочастотной сушилки или подобного. Температура сушки обычно составляет от 60 до 180°С.

(Спекание)

Спекание можно выполнять, например, используя обычные печи спекания, такие как трубчатая электрическая печь, коробчатая электрическая печь, туннельная печь, инфракрасная печь, печь с микроволновым нагревом, шахтная печь, отражательная печь, вращательная печь, печь с роликовым подом. Спекание можно выполнять партиями или непрерывным образом. Печь спекания может быть стационарной или с псевдоожиженным слоем.

Температура спекания обычно составляет от 1200 до 1450°С и предпочтительно от 1250 до 1400°С, чтобы можно было легко получить α-оксид алюминия (II), имеющий нужную чистоту, удельную площадь поверхности, относительную плотность и закрытую пористость. Когда температура спекания слишком высока, спекание может протекать избыточно, приводя к уменьшенной удельной площади поверхности и увеличенной закрытой пористости, возможно загрязнение примесями от печи спекания. Когда температура спекания слишком низкая, гидроксид алюминия может не превращаться в достаточной степени в α-оксид алюминия или удельная площадь поверхности может увеличиваться.

Скорость повышения температуры до температуры спекания составляет, например, от 30 до 500°С/час. Время спекания представляет собой время, достаточное для удовлетворительного превращения гидроксида алюминия в α-оксид алюминия, и меняется в зависимости от соотношения количества гидроксида алюминия к количеству зародышей α-оксида алюминия, типа печи спекания, температуры спекания, атмосферы спекания и подобного. Например, время спекания составляет от 30 минут до 24 часов и предпочтительно от 1 часа до 10 часов.

Атмосфера спекания предпочтительно представляет собой атмосферный воздух или атмосферу инертного газа, такого как газообразный азот или газообразный аргон. Атмосфера спекания может также быть влажной атмосферой.

α-Оксид алюминия для получения монокристалла обычно имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и предпочтительно от 0,2 до 1,0 м²/г. Тем самым, меньше влаги в атмосферном воздухе попадает на поверхность и, в случае термического плавления, влага не будет вызывать окисления тигля, а также меньше пустот будет формироваться в монокристалле сапфира.

Предпочтительно, когда α-оксид алюминия для получения монокристалла имеет чистоту 99,99 мас.% или более, и содержание каждого из Si, Na, Ca, Fe, Cu и Mg составляет 10 ч./млн или менее. При использовании такого α-оксида алюминия для получения монокристалла в качестве исходного материала из оксида алюминия для получения монокристалла может быть получен монокристалл сапфира высокого качества с меньшим окрашиванием или растрескиванием.

α-Оксид алюминия для получения монокристалла обычно имеет объемную плотность 2,6 г/см³ или более и предпочтительно от 2,6 до 3,5 г/см³. Можно получать монокристалл сапфира путем термического плавления такого α-оксида алюминия для получения монокристалла, а затем охлаждения расплавленного α-оксида алюминия, чтобы легко превращать α-оксид алюминия в монокристалл.

α-Оксид алюминия для получения монокристалла может использоваться в качестве исходного материала монокристалла сапфира для способов роста, таких как EFG способ, способ Чохральского, способ Киропулоса, и предпочтительно используется в способе Чохральского или способе Киропулоса, которые требуют заполнения тигля исходным материалом с высокой объемной эффективностью.

[Способ получения альфа-оксида алюминия для получения монокристалла]

Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла включает в себя этап смешения 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) с 25-235 массовыми частями α-оксида алюминия (II), предпочтительно с 50-150 массовыми частями и более предпочтительно с 100 массовыми частями.

(Смешение)

Чтобы предотвратить загрязнение α-оксида алюминия, смешение предпочтительно выполняют, используя аппарат, в котором элемент, контактирующий с α-оксидом алюминия (I) или α-оксидом алюминия (II), выполнен из α-оксида алюминия высокой чистоты или облицован смолой.

Настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью примеров, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами. Способы определения соответствующих физических свойств следующие.

(Относительная плотность)

После измерения плотности после спекания по методу Архимеда, относительную плотность вычисляли, используя уравнение: относительная плотность (%)= плотность после спекания [г/см³]/3,98 [г/см³; теоретическая плотность спеченного α-оксида алюминия]×100.

(Объем)

Объем вычисляли, подставляя плотность спеченного тела, измеренную по способу Архимеда, и массу одной части α-оксида алюминия для получения монокристалла в уравнение: объем (см³/часть) = масса [г/часть]/плотность после спекания [г/см³].

(Закрытая пористость)

Закрытую пористость вычисляли с помощью уравнения: закрытая пористость (%) = [(объем открытых пор)/{(1/3,98) + объем пор + объем закрытых пор}]×100. Объем закрытых пор вычисляли по уравнению: объем закрытых пор (см³/г) = (1/плотность частицы) - 1/3,98). Плотность частиц вычисляли на основании способа измерения истинной удельной массы согласно JIS R 7222 (1997). Объем пор определяли по следующей процедуре. А именно, после сушки образца при 120°С в течение 4 часов объем пор определяли как объем пор в диапазоне диаметров пор 1 мкм или менее с помощью метода проникновения ртути, используя AutoPore III 9420, изготовленный Micromeritics Instrument Corporation.

(Концентрация примесей и чистота)

Содержание каждого из Si, Na, Mg, Cu, Fe и Са измеряли твердотельной эмиссионной спектроскопией. Чистоту определяли путем вычисления полной суммы масс. % SiO₂, Na₂O, MgO, CuO, Fe₂O₃ и СаО, содержащихся в α-оксиде алюминия для получения монокристалла, и вычитания полученной полной суммы из 100. А именно, чистоту вычисляли с помощью уравнения: чистота % = 100 - полная сумма масс.% примесей.

(Объемная плотность)

Объемную плотность определяли путем заполнения образцом контейнера размерами 80 мм по внутреннему диаметру и 150 мм по высоте и затем вычисляли, деля массу образца на объем контейнера для измерения.

(Удельная площадь поверхности)

Удельную площадь поверхности измеряли с помощью метода поглощения азота, используя анализатор удельной площади поверхности по БЭТ "2300-РС-1А", изготовленный Shimadzu Corporation. Образец, который нельзя было поместить в измерительный контейнер, измеряли после измельчения до размера, достаточного для помещения в контейнер.

(Распределение размеров частиц)

На основании тестового способа сухого рассеивания согласно JIS К 0069 (1992), вычисляли распределение размеров частиц, используя сита, имеющие размер сит 75 мкм, 100 мкм, 212 мкм, 300 мкм, 425 мкм, 500 мкм, 600 мкм, 710 мкм, 850 мкм, 1 мм, 2 мм или 2,8 мм из стандартных сит, согласно в JIS Z 8801 (1987).

(Количество влаги)

Количество адсорбированной влаги определяли путем высушивания образца при 110°С на основании JIS Н 1901 (1997) и затем измеряли как потерю массы.

Примеры

<Получение α-оксида алюминия (I)>

В качестве зародышей α-оксида алюминия использовали α-оксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.% (изготовленный Sumitomo Chemical Company, Limited. под торговой маркой "АКР-53"). Воду добавляли к α-оксиду алюминия высокой чистоты, получая смесь, и данную смесь измельчали, используя мокрую шаровую мельницу, получая суспензию, содержащую 25 мас.% зародышей оксида алюминия. Зародыши α-оксида алюминия имели средний диаметр частиц 0,25 мкм.

В качестве предшественника α-оксида алюминия использовали гидроксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.%, полученный с помощью способа гидролиза алкоксида алюминия. Гидроксид алюминия высокой чистоты имел кристаллическую структуру бемита.

Данную суспензию и гидроксид алюминия высокой чистоты смешивали с помощью мешалки лопастного типа, включающей перемешивающие лопасти, имеющие внутри структуру разрушения высокооборотного многостадийного поперечного типа. Количество зародышей α-оксида алюминия в суспензии было 1,7 массовых частей, если принять, что количество грубого порошка α-оксида алюминия, полученного прокаливанием, составляло 100 массовых частей. Количество воды было 149 массовых частей в расчете на 100 массовых частей гидроксида алюминия высокой чистоты.

После смешения, влагу удаляли путем сушки при 200°С, используя сушилку с псевдоожиженным слоем, и затем полученную смесь прокаливали при скорости подъема температуры 100°С/час и температуре прокаливания 1335°С в течение 4 часов. Прокаливание выполняли в воздушной атмосфере. Полученный грубый порошок рассеивали, получая α-оксид алюминия (I).

Полученный α-оксид алюминия (I) был в форме порошка и имел содержание Si 6 ч./млн, содержание Na 5 ч./млн или менее, содержание Mg 1 ч./млн или менее, содержание Cu 1 ч./млн или менее, содержание Fe 6 ч./млн, содержание Ca 1 ч./млн или менее, и чистоту оксида алюминия 99,99 мас.%.

Также α-оксид алюминия (I) был в форме порошка α-оксида алюминия, который имел относительную плотность 87%, закрытую пористость 2,4 %, удельную площадь поверхности 0,4 м²/г, объемную плотность 2,5 г/см³ и количество адсорбированной влаги 0,02 мас.%, и содержал менее адсорбированной влаги, а также имел низкую закрытую пористость и высокую объемную плотность.

α-оксид алюминия (I) содержал 2,0 мас.% частиц, имеющих диаметр частиц менее чем 75 мкм, и 4,6 мас.% частиц, имеющих диаметр частиц более чем 2,8 мм, и демонстрировал один частотный максимум (А) в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 212 мкм; а также содержал 3,4 мас.% частиц, имеющих диаметр частиц 850 мкм или более и менее чем 1 мм, и демонстрировал один частотный максимум (В) в диапазоне диаметров частиц от 1 мм или более до менее чем 2 мм в распределении размеров частиц по массе; и D 2 был в 10 раз больше D1; и отношение М1/М2 было 1,19.

<Получение α-оксида алюминия (II)>

В качестве зародышей α-оксида алюминия использовали α-оксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.% (изготовленный Sumitomo Chemical Company, Limited. под торговой маркой "АКР-53"). Воду добавляли к α-оксиду алюминия высокой чистоты, получая смесь, и данную смесь измельчали, используя мокрую шаровую мельницу, получая суспензию, содержащую 25 мас.% зародышей оксида алюминия. Зародыши α-оксида алюминия имели средний диаметр частиц 0,25 мкм.

В качестве гидроксида алюминия использовали гидроксид алюминия высокой чистоты, имеющий чистоту 99,99 мас.%, полученный с помощью способа гидролиза алкоксида алюминия. Гидроксид алюминия высокой чистоты имел кристаллическую структуру бемита.

Данную суспензию и гидроксид алюминия высокой чистоты смешивали с помощью мешалки лопастного типа, включающей перемешивающие лопасти, имеющие внутри структуру разрушения высокооборотного многостадийного поперечного типа. Количество зародышей α-оксида алюминия в суспензии было 1,7 массовых частей, если принять, что количество грубого порошка α-оксида алюминия, полученного прокаливанием, составляло 100 массовых частей. Количество воды было 149 массовых частей в расчете на 100 массовых частей гидроксида алюминия.

После доведения количества воды до 192 массовых частей относительно 100 массовых частей гидроксида алюминия, данную смесь подвергали экструзионному формованию в колончатую форму размером 20 мм в диаметре и 40 мм длиной. Неспеченную формованную заготовку сушили в сушильном шкафу при 60°С для удаления влаги и затем спекали при скорости подъема температуры 100°С/час и температуре спекания 1350°С в течение 4 часов, получая α-оксид алюминия (II). Спекание выполняли в воздушной атмосфере.

Полученный α-оксид алюминия (II) состоял из спеченных частиц и имел удельную площадь поверхности 0,1 м²/г или менее, относительную плотность 94%, объем каждой из спеченных частиц 1,1 см³, объемную плотность 1,8 г/см³, закрытую пористость 6%, содержание Si 4 ч./млн, содержание Na 5 ч./млн или менее, содержание Mg 1 ч./млн или менее, содержание Cu 1 ч./млн или менее, содержание Fe 5 ч./млн, содержание Ca 1 ч./млн или менее, и чистоту оксида алюминия 99,99 мас.%.

<Смешение α-оксида алюминия (I) и α-оксида алюминия (II)>

Полученные 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) смешивали со 100 массовыми частями α-оксида алюминия (II), получая α-оксид алюминия для получения монокристалла. Полученный α-оксид алюминия для получения монокристалла имел объемную плотность 3,0 г/см³, и эта объемная плотность была высокой. Соответственно, было обнаружено, что полученным α-оксидом алюминия для получения монокристалла можно было заполнять тигель с высокой объемной эффективностью, и, таким образом, монокристалл сапфира мог быть получен с высокой производственной эффективностью.

Также полученный α-оксид алюминия для получения монокристалла имел удельную площадь поверхности 0,2 м²/г, содержание Si 6 ч./млн, содержание Na 5 ч./млн или менее, содержание Mg 1 ч./млн или менее, содержание Cu 1 ч./млн или менее, содержание Fe 6 ч./млн, содержание Ca 1 ч./млн или менее, и чистоту оксида алюминия 99,99 мас.%.

1. α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира, содержащий 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) и от 25 до 235 массовых частей α-оксида алюминия (II),
при этом α-оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и объемную плотность 1,5 г/см³ или более,
α-оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц и имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и относительную плотность 85% или более, и
каждая из спеченных частиц имеет объем 0,01 см³ или более.

2. α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира по п. 1, в котором α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 850 мкм в распределении размеров частиц по массе по диаметру сухих просеянных частиц, определенному в тесте сухого рассеивания согласно JIS К 0069 (1992).

3. α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира по п. 1 или 2, в котором α-оксид алюминия (I) содержит 10 мас. % или менее частиц, имеющих диаметр частиц от 850 мкм или более до менее чем 1 мм в распределении размеров частиц по массе по диаметру сухих просеянных частиц, определенному в тесте сухого рассеивания согласно JIS К 0069 (1992),
α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (А) в диапазоне диаметров частиц от 100 мкм или более до менее чем 850 мкм и α-оксид алюминия (I) демонстрирует один или несколько частотных максимумов (В) в диапазоне диаметров частиц 1 мм или более, и
при D1, обозначающем максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающего наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (A), Ml, обозначающем максимальное значение частотного максимума, показывающего наименьший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (A), D2, обозначающем максимальный диаметр частиц частотного максимума, показывающего наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), и М2, обозначающем максимальное значение частотного максимума, показывающего наибольший максимальный диаметр частиц среди частотных максимумов (В), D1 и D2 удовлетворяют неравенству: 2D1≤D2≤20D1, а отношение M1 к М2 (М1/М2) равно 0,05 или более.

4. α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира по п. 1 или 2, имеющий чистоту 99,99 мас. % или более, и содержание каждого из Si, Na, Са, Fe, Cu и Mg составляет 10 ч./млн или менее по массе.

5. α-Оксид алюминия для получения монокристалла сапфира по п. 3, имеющий чистоту 99,99 мас. % или более, и содержание каждого из Si, Na, Са, Fe, Cu и Mg составляет 10 ч./млн или менее по массе.

6. Способ получения α-оксида алюминия для получения монокристалла сапфира, содержащий этап, на котором смешивают 100 массовых частей α-оксида алюминия (I) с 25-235 массовыми частями α-оксида алюминия (II), при этом
α-оксид алюминия (I) имеет удельную площадь поверхности от 0,1 до 5 м²/г и объемную плотность 1,5 г/см³ или более,
α-оксид алюминия (II) образован из спеченных частиц и имеет удельную площадь поверхности 1 м²/г или менее и относительную плотность 85% или более, и
каждая из спеченных частиц имеет объем 0,01 см³ или более.